嵌入式轨道的振动噪声特性及优化研究

2019-06-25江小州温泽峰齐欢欢冯志鹏

噪声与振动控制 2019年3期

江小州，温泽峰，齐欢欢，冯志鹏，刘帅，张锐

(1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都610213；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都610031）

城市轨道交通由于大多兴建在城市中心地带，其引发的振动噪声已成为不容忽视的公共问题。嵌入式轨道是区别于一般离散支承的轨道型式，其钢轨通过连续支承克服了轨道变形和受力不均匀的问题，槽内弹性材料组成的浇注料和降噪块可以很好地固定钢轨从而保持轨距，该型轨道具有良好的减振降噪性能，正成为当下的研究热点。国外学者Daniels所研究的Edilon型轨道就是一种将钢轨整体嵌入在高分子材料中的嵌入式轨道，减振降噪效果显著[1]。

Michas[2]对钢轨为SA42的嵌入式轨道进行了研究，结论表明：在与线路旁声屏障进行配合使用的情况下，辐射噪声水平可以降低16 dB 左右。Nilsson等[3]在对有轨电车嵌入式轨道的辐射噪声研究中，以有限元和边界元作为分析手段，着重考虑嵌入式轨道槽内材料的阻尼效应对轨道振动的影响，结果显示在600 Hz 以上嵌入式轨道的声辐射水平明显降低。Vos[4]的研究主要集中在铁路桥上线路的辐射噪声，基于嵌入式轨道良好的降噪性能，他认为在桥上线路上使用嵌入式轨道来降低滚动噪声是一种很好的建议。Vogiatzis[5]以雅典有轨电车线路为应用背景，着重研究对比了几种型式的嵌入式轨道振动噪声水平，目的在于寻求一种低振动和低噪声的嵌入式轨道方案。黄涛[6]认为嵌入式轨道的能量转化形式是从振动能量转化为热能，再通过热能耗散来减小轮轨噪声，嵌入式轨道作为一种减振降噪型轨道相比较于普通轨道可以降低辐射噪声4 dB。刘婷林[7]在仿真分析嵌入式轨道减振降噪水平的同时，基于实验落锤法测试了高分子材料的粒径配比和密度大小对于嵌入式轨道振动噪声的影响，结果表明增大高分子材料的粒径可以有效地降低嵌入式轨道辐射噪声水平，且高频较低频表现出更好的降噪效果。zhao[8]基于试验测试结果，从振动衰减率、振动和噪声特性出发，对比嵌入式轨道振动和噪声仿真分析结果发现：嵌入式轨道槽内型式为“I”型时可以降低辐射噪生3 dB(A)，与此同时增大垫板的弹性模量可以降低轨道辐射噪声4 dB(A)。Ling[9]基于多体动力学和有限元方法建立了有轨电车-嵌入式轨道耦合动力学模型，分析结果表明：与传统板式轨道相比较而言，嵌入式轨道在降低轨道振动方面具有极大的优势。

本文引入一种新的有轨电车嵌入式轨道型式[10]，通过仿真分析得到了该型嵌入式轨道的振动噪声特性。对嵌入式轨道槽内结构的材料参数进行合理调整，寻求最优的弹性模量和阻尼损耗因子。并重点关注嵌入式轨道降噪块形状改变带来的辐射噪声变化。结合材料参数优化结果和降噪块形状优化结果，评估其噪声降低水平以达到优化目的。

1 计算模型

1.1 嵌入式轨道振动计算模型

轨道系统受到外载荷时，由于阻尼作用，系统的振动也只局限在有限的长度内，在远离力作用区的地方，其振动逐渐趋于0。嵌入式轨道建模参考文献[7]，三维有限元模型如图1所示。

轨道总长6 m，横向设为x向，垂向设为y向，纵向设为z向。由轨道结构的对称条件知可采用半块轨道进行模拟。轨道底部位移进行固定约束，轨道中心截面处约束横向位移，两端承轨槽截面处约束纵向位移。轨道模型采用实体单元划分。嵌入式轨道结构如图2所示。

图1 嵌入式轨道三维有限元模型图

图2 嵌入式轨道结构图

嵌入式轨道钢轨采用槽型轨，轨腰处敷设降噪块用以固定钢轨，弹性垫板作为弹性支撑铺设在轨底下方，周围浇筑弹性材料，轨道板下铺设等长度的自密实混凝土。

嵌入式轨道结构相关参数参考文献[3]，如表1所示。

1.2 嵌入式轨道噪声计算模型

由于嵌入式轨道良好的密实性导致其裸露于空气中的部分仅仅包含钢轨、浇注料和轨道板的表面一层，因此可以提取这三部分的表面网格整体作为声学边界元模型，如图3所示。

图3 嵌入式轨道声学边界元模型图

采用直接边界元法可以将振动数据映射到边界元模型中去从而快速求得嵌入式轨道的辐射噪声。

1.3 轮轨相对力激励模型

基于一点接触的前提下，Remington[11]在实验中发现轨道的垂向振动对声辐射的贡献量最为显著，轮轨之间的垂向激励基本可以满足对噪声的分析需求。根据轮轨相对力激励模型中的各个量之间的关系可知[12]

表1 嵌入式轨道结构材料参数

其中：F为轮轨力，r是联合粗糙度谱。ac是轮轨接触导纳，ar是钢轨位移导纳，aw是车轮位移导纳。

2 嵌入式轨道振动噪声特性

2.1 嵌入式轨道振动特性

由于轨道和车轮之间的接触斑很小，因此将轮轨力近似地施加在轨道中部轨头中心点处，如图4所示。

图4 嵌入式轨道力施加处示意图

轮轨力可以通过式（1）得到，其力谱如图5所示。

由图5可以看出轮轨力的基本趋势呈现为下降趋势，低频较大，高频较小。在1 000 Hz 以下频段，轮轨力基本上处在100 N 以上，并在200 Hz、280 Hz、360 Hz、460 Hz、660 Hz 和820 Hz 处出现峰值。在1 000 Hz 以上的大部分频段，轮轨力基本都处于100 N以下，且出现了幅值较小的密集峰值。总体上嵌入式轨道轮轨力的主要作用频段为20 Hz～1 000 Hz。

沿着轨道垂向和横向方向上的垂向振动位移如图6和图7所示。

由图6可以看出嵌入式轨道槽内结构的垂向振动位移较槽外结构高出3～4个数量级，槽内结构振动显著，且振动峰值对应轮轨力的峰值。在200 Hz～2 000 Hz范围内，降噪块的振动位移超过了钢轨，由于其变形耗能的特性，降噪块的振动占据主导。由图7可以看出浇注料在300 Hz～1 000 Hz 内的振动位移幅值同样超过了钢轨，同样体现了浇注料将振动能量耗散的特性。

图5 轮轨力频谱图

图6 轨道沿着垂向方向上的垂向振动

图7 轨道沿着横向方向上的垂向振动

表2给出了嵌入式轨道的模态分析结果。由表2可以看出嵌入式轨道的槽内结构出现较多的局部模态，其对降噪块和浇注料的振动贡献较大。

表2 嵌入式轨道模态分析结果

图8和图9分别给出了嵌入式轨道沿着垂向和横向上的垂向振动加速度级大小。

图8 嵌入式轨道沿着垂向上的垂向振级

图9 嵌入式轨道沿着横向上的垂向振级

可以看出降噪块和浇注料的垂向振动超过了钢轨，充分体现其变形耗能的特点。钢轨沿着垂向方向传递到槽外的垂向振动加速度级衰减量达到了44.8 dB～56.7 dB；钢轨沿着横向方向传递到槽外的垂向振动加速度级衰减量达到了36.9 dB～38 dB。嵌入式轨道的减振效果显著。

2.2 嵌入式轨道噪声特性

图10 嵌入式轨道噪声频谱

嵌入式轨道的辐射噪声频谱如图10所示。由图10可以看出嵌入式轨道的辐射噪声频段主要集中在250 Hz～1 200 Hz，尤其表现在400 Hz～500 Hz 和800 Hz～1 200 Hz 2 个频段内，辐射声功率级超过了90 dB(A)，且在中心频率400 Hz 处达到了最大，为93.9 dB(A)。在中心频率630 Hz处出现谷值，但仍接近于90 dB(A)左右。从激励源角度分析可知20 Hz～1 200 Hz 范围内的轮轨力较大。其次该频段内嵌入式轨道的模态信息较为丰富，振动较为显著。

此外在结构声学中，声辐射效率也是衡量结构噪声辐射能力的重要因素，其定义为[13]

其中：

式(3)为结构振动所产生的动能。辐射效率表征了结构在具有相同振动幅度时的辐射声功率能力的大小。由图11给出的嵌入式轨道声辐射效率可以看出嵌入式轨道在400 Hz～500 Hz的声辐射效率处于0.1左右，在480 Hz～800 Hz频段内轨道的声辐射效率不断递减，并在800 Hz 出现低谷，随后开始迅速递增，1 000 Hz 以后轨道的声辐射效率不断波动。因此声辐射效率也是影响嵌入式轨道辐射噪声的重要因素。

分别提取槽内结构和轨道板的表面作为声学边界元，分析各自的噪声贡献量，如表3所示。

由表3可以看出嵌入式轨道槽内噪声贡献显著，轨道板噪声贡献量较小。

3 嵌入式轨道的噪声优化

3.1 材料参数优化

以槽内结构的弹性模量和阻尼损耗因子为主要参数变量进行噪声优化，如表4所示。

图11 嵌入式轨道声辐射效率

表3 嵌入式轨道噪声贡献量

由表4可以看出，在所优化的范围内，嵌入式轨道浇注料、降噪块和弹性垫板弹性模量的最优值为25 MPa、15 MPa 和5 MPa；嵌入式轨道浇注料、降噪块和弹性垫板阻尼损耗因子的最优值为0.20、0.30和0.30。

由表4可以看出，在所优化的范围内，嵌入式轨道的噪声总值随着材料参数改变而近似线性变化，因此可以利用噪声随着材料参数的近似变化率来表征噪声对嵌入式轨道材料参数的敏感度。从弹性模量的角度分析，弹性垫板弹性模量的改变对于嵌入式轨道噪声总值的影响比较敏感；从阻尼损耗因子的角度分析，浇注料阻尼损耗因子的改变对于嵌入式轨道噪声总值的影响比较敏感。可优先考虑弹性垫板弹性模量和浇注料阻尼损耗因子这两种材料参数来优化轨道的噪声水平。

3.2 降噪块形状优化

改变嵌入式轨道槽内结构中的降噪块形状，如图12所示。

图13给出了5种降噪块形状下的嵌入式轨道辐射噪声频谱图。由图13可以看出，在辐射噪声显著的400 Hz～500 Hz 频段内，形状一、原始形状、形状二、形状四和形状三的辐射噪声依次递减；且在800 Hz～1 000 Hz 频段内，形状三最大辐射噪声明显高于形状四的最大辐射噪声，该频段的噪声贡献导致形状三的辐射声功率级总值高于形状四的辐射声功率级总值。